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Bibiana del C. Hernández Hernández Carlos Alberto Mayo Hernández Eduardo Pozo Montuy Ricardo Magno Lemus Alor Jorge Salvador Coll
Procesos de Manufactura
Materiales enIngeniería
Catedrático: Ing. José Alberto Lázaro Garduza
UP
C
Universidad Politécnica del Centro
Los materiales son los productos útiles para la actividad tecnológica, y que se obtienen de las materias primas (los recursos naturales).
Introducción MATERIALES
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Introducción MATERIALES DE ING.
Ciencia se ocupa investigar procedimientos de extraer y mejorar materiales útiles y sus combinaciones para dar forma y utilizaciones que la sociedad demande.
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Son aquellos que están tal y como son en la naturaleza sin sufrir ningún cambio o alteración, los materiales mas puros son los que se encuentran en la tabla periódica.
Todos los materiales están integrados por átomos los que se organizan de diferentes maneras, dependiendo del material que se trate y el estado en el que se encuentra, ya sea de manera alotrópica.
Introducción MATERIALES PUROS
Los materiales puros se clasifican en:
Metales
Metaloides
No Metales
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Introducción ALEACIONES
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Las aleaciones son productos homogéneos de propiedades metálicas de dos o más elementos.
Estas aleaciones pueden ser:
Ferrosas.
No ferrosas.
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Introducción ORGÁNICOS E INORGÁNICOS
Todos los seres vivos estamos constituidos por una mezcla de materia orgánica e inorgánica. Ambas son necesarias porque desempeñan un papel fundamental en nuestra vida.
- La materia inorgánica se encuentra en los minerales tales como el agua, las sales y el dióxido de carbono.
- La materia orgánica podemos encontrarla en raíces, animales, organismos muertos, restos de alimentos, etc.
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Introducción PROPIEDADES
Las propiedades de los materiales son las características que hacen que los materiales tengan un determinado comportamiento frente al calor, la electricidad, la luz, los esfuerzos, etc.
Conocer estas propiedades es muy importante para saber cuáles son sus mejores aplicaciones.
Materiales Tradicionales
Ferrofluido
Grafeno
Nuevos Materiales
Un
iver
sid
ad
Po
lité
cnic
a d
el C
en
tro
CLASIFICACIÓN
Todos los materiales sólidos
pueden clasificarse, de acuerdo a su
estructura molecular, en cristalinos y amorfos.
CLASIFICACIÓN
Cristalino
Las moléculas están ordenadas en 3 dimensiones,
que se llama ordenamientoperiódico.
Amorfo
Las moléculas se enmarañan
en un completodesorden.
Contenido
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CLASIFICACIÓN
ESTRUCTURA
CLASIFICACIÓN
METALES
Buena conductividad eléctrica y térmica, alta resistencia, rigidez, ductilidad. Son útiles en aplicaciones estructurales o de carga. Las aleaciones permiten una mejor combinación de propiedades.
CERÁMICOS
Son usados a menudo como aislantes. Fuertes y duros, aunque frágiles y quebradizos. Usualmente se utilizan como materiales de construcción. Ejemplos: Ladrillo, vidrio, porcelana, etc.
POLÍMEROS
Grandes estructuras moleculares creadas a partir de moléculas orgánicas. Baja conductividad eléctrica y térmica, reducida resistencia y debe evitarse su uso a temperaturas elevadas. Tienen múltiples aplicaciones, entre ellas están los dispositivos electrónicos.
COMPUESTOS
Formados a partir de dos o más materiales de distintos grupos, produciendo propiedades que no se encuentran en ninguno de los materiales de forma individual.
Contenido
Universidad Politécnica del Centro
CLASIFICACIÓN
GENERAL
Materiales
Puros
Aleaciones Ferrosas y
No Ferrosas
Orgánicos e Inorgánicos
Contenido
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CLASIFICACIÓN
GENERAL
CLASIFICACIÓN
METALES Buenos conductores de la corriente eléctrica y calor, son dúctiles y maleables, presentan un brillo metálico, todos son sólidos excepto el mercurio. Tienen una alta densidad pero una de sus propiedades más significativas es que cuando se unen a otros elementos, pierden electrones, formando iones positivos.
NO METALES Malos conductores de la corriente eléctrica y el calor, con excepción del carbón grafito; por lo general son opacos y quebradizos, pueden existir en cualquier estado de agregación (sólidos, líquidos y gaseosos); una de sus propiedades significativas es que cuando se unen a otros elementos, ganan electrones, formando iones negativos.
METALOIDES Son los que comparten algunas de las características de los metales pero sin llegar a serlo.
ContenidoMATERIALES PUROS
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Las aleaciones ferrosas son las que contienen un porcentaje muy alto de hierro, como el acero o los hierros fundidos.
Se dividen en tres grupos principales:
Aceros simples. Aceros inoxidables. Hierros fundidos.
Son duros o livianos,resistentes a la corrosión y tienen resistencia mecánica.
ContenidoALEACIONES FERROSAS
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CLASIFICACIÓN
La aleaciones ferrosas tienen al hierro como su principal metal de aleación; mientras que las aleaciones no ferrosas, tienen un metal distinto del hierro.
Los aceros que son aleaciones ferrosas son los más importantes, principalmente por su costo relativamente bajo y la variedad de aplicaciones por sus propiedades mecánicas.
ContenidoALEACIONES FERROSAS
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ACEROS SIMPLES
Los aceros inoxidables son las aleaciones ferrosas más importantes por su alta resistencia a la corrosión; para ello, debe contener al menos 12% de Cromo.
Los elementos de aleación (níquel, cromo y molibdeno) se añaden a los aceros al carbono para producir aceros de baja aleación.
Los aceros de baja aleación presentan alta resistencia y tenacidad, y son de aplicación común en la industria de automóviles para usos como engranajes y ejes.
ContenidoALEACIONES FERROSAS
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ACEROS INOXIDABLES
Los hierros para fundición, son otra familia industrialmente importante de las aleaciones ferrosas.
Son de bajo costo y tienen propiedades especiales, tales como una buena moldeabilidad, resistencia a la corrosión, al choque térmico, al desgaste y durabilidad.
La fundición gris tiene una alta maquinabilidad y capacidad de amortiguamiento de vibraciones, debido a las hojuelas de grafito en su estructura.
ContenidoALEACIONES FERROSAS
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HIERROS P/FUNDICIÓN
Estas aleaciones están constituidas por elementos metálicos en estado elemental (estado de oxidación nulo), como P, C, Si, S, As.
Las aleaciones generalmente se clasifican teniendo en cuenta cuál o cuáles elementos se encuentran presentes en mayor proporción, denominándose a estos elementos componentes base de la aleación.
Los elementos que se encuentran en menor proporción, serán componentes secundarios o componentes traza.
ContenidoALEACIONES NO FERROSAS
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CLASIFICACIÓN
Las Aleaciones no ferrosas, son aquellas que carecen de hierro o tienen un bajo nivel de éste.
Los metales no ferrosos se pueden clasificar en:
Pesados.
Ligeros.
Ultraligeros.
Alta resistencia a la corrosión, buenas propiedades de tensión, muy dúctiles aún a temperaturas bajas y resistencia mecánica.
ContenidoALEACIONES NO FERROSAS
CLASIFICACIÓN
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ContenidoALEACIONES NO FERROSAS
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CLASIFICACIÓN
Son así considerados cuando contienen células de vegetales o animales. Estos materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el alcohol o los tretracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas. Algunos de los representantes de este grupo son:
Plásticos Productos del petróleo Madera Papel Hule Piel
ContenidoMATERIALES ORGÁNICOS
CLASIFICACIÓN
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Son todos aquellos que no proceden de células animales o vegetales o relacionadas con el carbón. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en general resisten el calor mejor que las sustancias orgánicas. Algunos de los materiales inorgánicos más utilizados en la manufactura son:
Los minerales El cemento La cerámica El vidrio El grafito (carbón mineral)
ContenidoMATERIALES INORGÁNICOS
CLASIFICACIÓN
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Cuando las moléculas que componen un sólido están acomodadas regularmente, decimos que forman un cristal, y al sólido correspondiente le llamamos sólido cristalino o fase.
La estructura espacial de un sólido cristalino se construye a partir de una unidad repetitiva o celda unidad.
ContenidoCRISTALES
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En los vértices de estas celdas unidad se sitúan los átomos. La repetición de las celdas en el espacio da lugar a las llamadas redes cristalinas simples.
También existe la posibilidad de situar átomos en los centros de las celdas (red cristalina centrada) o de las caras (red cristalina de caras centradas).
ContenidoCRISTALES
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Las estructuras cristalinas no son perfectas. En los metales se encuentran impurezas que influyen sobre el proceso de cristalización y que deforman la red espacial del cristal.
ContenidoCRISTALES
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Imperfecciones
Puntuales
Lineales
Superficiales
CONSECUENCIAS
IMPERFECCIONES
PUNTUALES Debidas a átomos del mismo o de otro metal situados en un punto que no pertenece a la red (átomos intersticiales), o a lugares vacantes, que son puntos de la red vacíos.
LINEALES Denominadas también dislocaciones, que disminuyen la resistencia mecánica de los metales. Estas imperfecciones son las causantes de la deformación plástica en los metales.
SUPERFICIALES La estructura de un metal o aleación está compuesta por múltiples zonas ordenadas, dispuestas de tal forma que sus ejes cristalográficos respectivos no coinciden entre sí. A estas zonas se las denomina cristales o granos, y a la zona límite entre dos de ellos (imperfección a nivel superficial) se le conoce como junta de grano.
ContenidoCRISTALES
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CONSECUENCIAS
Los metales, cuando están en su estado sólido, sus átomos se alinean de manera regular en forma de mallas tridimensionales. Estas mallas pueden ser reconocidas fácilmente por sus propiedades químicas, físicas o por medio de los rayos X.
Cuando un material cambia de tipo de malla al modificar su temperatura, se dice que es un material polimorfo o alotrópico.
ContenidoMATERIALES PUROS
METALES
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Cada tipo de malla en los metales da diferentes propiedades, no obstante que se trate del mismo material, así por ejemplo en el caso del hierro aleado con el carbono, se pueden encontrar tres diferentes tipos de mallas:
• La malla cúbica de cuerpo centrado.
• La malla cúbica de cara centrada.
• La malla hexagonal compacta.
ContenidoMATERIALES PUROS
METALES
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Estructura Cristalina Cúbica Centrada en las Caras FCC (Face-Centered Cubic)
Estructura Cristalina Cúbica Centrada en el Cuerpo BCC (Body-Centered Cubic)
Estructura Cristalina Hexagonal Compacta HCP (Hexagonal Close Packing)
ContenidoMATERIALES PUROS
TABLA PERIÓDICA DE ESTRUCTURASDE METALES
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Los materiales metálicos tienden a ordenarse de forma más compacta, de 3 maneras:
Cúbica centrada en el interior:
Tiene átomos en cada uno de los vértices del cubo que integra a su estructura y un átomo en el centro. Se encuentran con esta estructura el cromo, el molibdeno y el wolframio.
ContenidoMATERIALES PUROS
METALES
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Cúbica centrada en las caras
Tiene átomos en los vértices y en cada una de sus caras, su cambio es notado además de por los rayos X, por la modificación de sus propiedades eléctricas, por la absorción de calor y por las distancias intermoleculares.
A temperatura elevada el aluminio, la plata, el cobre, el oro, el níquel, el plomo y el platino son algunos de los metales que tienen esta estructura de malla.
Al Ag Cu Au Ni Pb Pt
ContenidoMATERIALES PUROS
METALES
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Hexagonal compacta
La malla hexagonal compacta se encuentra en metales como el berilio, cadmio, magnesio, y titanio. Es una estructura que no permite la maleabilidad y la ductilidad, es frágil.
ContenidoMATERIALES PUROS
METALES
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Tienen una estructura hexagonal, los distintos modos de empaquetamiento en un cristal dan lugar a las llamadas fases polimórficas (fases alotrópicas para los elementos), que dan a los materiales distintas propiedades.
Por ejemplo, de todos son conocidas las distintas apariencias y propiedades del elemento químico Carbono, que se presenta en la Naturaleza en dos formas cristalinas muy diferentes, el diamante y el grafito.
Diamante (carbono puro)
Grafito (carbono puro)
Formas alotrópicas del Carbono en la naturaleza
ContenidoMATERIALES PUROS
NO METALES
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El grafito es negro, blando y un lubricante excelente, lo que sugiere que sus átomos deben estar distribuidos (empaquetados) de un modo que puedan entenderse sus propiedades.
Sin embargo, el diamante es transparente y muy duro, por lo que debe esperarse que sus átomos estén muy fijamente unidos. En efecto, sus estructuras sub-microscópicas (a nivel atómico) dan cuenta de sus diferencias.
Diamante, con estructura muy compacta
Grafito, con estructura atómica en láminas
ContenidoMATERIALES PUROS
NO METALES
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Formas alotrópicas del oxigeno
Por ejemplo, se puede encontrar en forma atómica.
En la naturaleza, en forma de gas el O2 forma parte del aire que respiramos.
El (O3), es altamente oxidante debido a la inestabilidad de su estructura molecular, y es tóxico a concentraciones elevadas. Puede tener efectos corrosivos sobre materiales y, a determinadas concentraciones, efectos irritantes sobre las mucosas de los seres vivos.
Aunque resulten ser el mismo
elemento, tienen características
diferentes debido a su estructura
molecular.
ContenidoMATERIALES PUROS
NO METALES
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El boro es un elemento metaloide, semiconductor, trivalente que existe abundantemente en el mineral bórax.
El boro presenta multitud de formas alotrópicas que tienen como elemento estructural común un icosaedro regular.
El elemento químico puede adoptar una gran variedad de estructuras diferentes que son, además, extremadamente sensibles a la presencia de pequeñas cantidades de impurezas químicas.
ContenidoMATERIALES PUROS
METALOIDES
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La ordenación de los icosaedros puede ser de dos formas distintas:
• Unión de 2 icosaedros por 2 vértices, mediante enlaces covalentes normales (figura 1).
• Unión de 3 icosaedros por 3 vértices, mediante un enlace de tres centros con dos electrones (figura 2).
ContenidoMATERIALES PUROS
METALOIDES
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Figura 1
Figura 2
ContenidoALEACIONES
REGLAS DE HUME-ROTHERY
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ContenidoALEACIONES
REGLAS DE HUME-ROTERY
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Titanio Níquel
ContenidoMAT. ORGÁNICOS
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Donde sí se distinguen claramente unidades aisladas, es en los llamados materiales orgánicos, en donde la unión entre las moléculas, dentro del cristal, es mucho más débil (cristales moleculares). Son generalmente materiales más blandos e inestables que los inorgánicos.
En las proteínas también existen unidades moleculares como en los materiales orgánicos, pero mucho más grandes. Las fuerzas que unen estas moléculas son también similares, pero su empaquetamiento en los cristales deja muchos huecos que se rellenan con agua no ordenada y de ahí su extrema inestabilidad.
ESTRUCTURA
Estructura cristalina de un material orgánico: cinnamida
ContenidoMAT. INORGÁNICOS
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ESTRUCTURA
En la estructura cristalina (ordenada) de los materiales inorgánicos, los motivos repetitivos son átomos o iones enlazados entre sí, de modo que generalmente no se distinguen unidades aisladas y de ahí su estabilidad y dureza (cristales iónicos, fundamentalmente).
Estructura cristalina de un material inorgánico: el alfa-cuarzo
Los distintos modos de empaquetamiento en un cristal dan lugar a las llamadas fases polimórficas (fases alotrópicas para los elementos), que confieren a los cristales (a los materiales) distintas propiedades.
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PROPIEDADES DE
LOS MATERIALES
Propiedades Mecánicas
Dureza Tenacidad /Fragilidad
Elasticidad /
Plasticidad
Resistencia
mecánica
ContenidoPROPIEDADES
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MECÁNICAS
ContenidoPROPIEDADES
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MECÁNICAS
Dureza: Un material es duro o blando dependiendo de si otros materiales pueden rayarlo.
Tenacidad/Fragilidad: Un material es tenaz si aguanta los golpes sin romperse; es frágil, si cuando le damos un golpe se rompe.
Elasticidad/Plasticidad: Un material es elástico cuando, al aplicarle una fuerza se estira, y al retirarla vuelve a la posición inicial. Un material es plástico cuando al retirarle la fuerza continua deformado.
Resistencia mecánica: Un material tiene resistencia mecánica cuando soporta esfuerzos sin romperse.
Propiedades Térmicas
Conductividad térmica Dilatación Temperatura de fusión
ContenidoPROPIEDADES
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TÉRMICAS
Conductividad térmica: Es la facilidad que presenta un material para conducir el calor.
Dilatación térmica: Es el aumento de volumen que experimentan los cuerpos cuando se calientan.
Temperatura de fusión: Es la temperatura a la que un material pasa del estado sólido al líquido.
ContenidoPROPIEDADES
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TÉRMICAS
PropiedadesQuímicas
Resistencia a la corrosión
ContenidoPROPIEDADES
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QUÍMICAS
Resistencia a la corrosión: Es la resistencia que opone un material a ser oxidado.
ContenidoPROPIEDADES
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QUÍMICAS
PropiedadesEléctricas
Resistenciaeléctrica
ContenidoPROPIEDADES
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ELÉCTRICAS
• Resistencia eléctrica: Mide el grado de oposición de un material a ser atravesado por la corriente eléctrica. Un material tiene una alta resistencia cuando presenta gran oposición a ser atravesado por una corriente eléctrica.
A los materiales con resistencia eléctrica alta los llamamos aislantes; mientras que a los materiales con una resistencia eléctrica bajo los llamamos conductores.
ContenidoPROPIEDADES
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ELÉCTRICAS
Propiedades Magnéticas
Sermagnético
Magnetismotemporal o permanente
ContenidoPROPIEDADES
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MAGNÉTICAS
• Propiedades magnéticas: Los materiales que pueden ser atraídos por un imán, son los que poseen propiedades magnéticas.
• Magnetismo temporal y permanente: Cuando se hace pasar una corriente eléctrica por una bobina de hilo conductor, esta se convierte en un imán. Si dentro de la bobina colocamos una barra de acero, esta se magnetiza permanentemente, pero si la barra es de hierro dulce, solo se magnetizará mientras esta circulando la corriente por la bobina.
Los materiales diamagnéticos son ligeramente repelidos por los imanes, ya que generan un campo magnético opuesto al que reciben. Los materiales paramagnéticos, sin embargo, generan un campo del mismo sentido que el que reciben y son atraídos por los imanes.
ContenidoPROPIEDADES
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MAGNÉTICAS
Conclusión
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Los materiales son las sustancias que componen cualquier cosa o producto. La producción de nuevos materiales y el procesado de éstos hasta convertirlos en productos acabados , constituyen una parte importante de nuestra economía actual.
Los objetos que nos rodean están fabricados con una gran variedad de materiales y con un fin en específico, por lo que podemos clasificarlos de diferentes formas; sin embargo, el criterio más adecuado para clasificar materiales es por sus propiedades.
Todos los materiales están integrados por átomos los que se organizan de diferentes maneras, dependiendo del material que se trate y el estado en el que se encuentra. Las diferentes estructuras en los materiales determinan muchas de sus características y propiedades.
Conclusión
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Las propiedades son un conjunto de características diferentes para cada cuerpo o grupo de cuerpos, las cuales ponen de manifiesto tanto sus cualidades como su forma de comportamiento.
Bibliografía
Universidad Politécnica del Centro
Prof. Ronald Márquez, Materiales de Ingeniería Química, Escuela de Ing. Química, Universidad de los Andes, URL: http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/marquezronald/wp-content/uploads/2009/08/1_Introduccion-a-los-Materiales.pdf
Suleyra Cornelio Aquino, Bibiana Hdez. Hdez., Estado y Propiedad de los Materiales, Universidad Tecnológica de Tabasco, URL: http://issuu.com/bibillana/docs/estado_y_propiedad_de_los_materiales
Leoncio Venteo, Propiedades de los materiales, Asociación de Profesores de Tecnología, URL: http://roble.pntic.mec.es/~lventeo/Temas/Propiedades/Propiedades.html
Bibliografía
Universidad Politécnica del Centro
Prof. Miguel Pérez Agustí, Introducción, clasificación de los materiales y propiedades, Universidad de Sevilla, URL: estudiantesingenieria.es/apuntes/MaterialesQuimicos/ Tema 1 Introducción, Clasificacion Materiales y Propiedades.ppt
Aguirre Dávila Karen Alicia, Gutiérrez García Jezareli et al, Estructura de los Materiales Puros, Grupo de Ing. Industrial, URL: http://www.slideshare.net/izzy58/estructura-de-los-materiales-puros
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